本發明涉及空氣源熱泵技術領域，更進一步地說是涉及一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法及系統。

背景技術：

熱泵是一種利用高位能使熱量從低位熱源流向高位熱源的節能裝置，具有廣泛的應用場景和巨大的市場價值。空氣源熱泵具有熱源獲取方便、效率高、操作簡單、無污染等諸多優點，得到了廣泛的關注與應用。

空氣源熱泵在冬季制熱運行時，室外空氣側換熱器起蒸發器的作用，由于蒸發溫度較低，換熱器表面的溫度也隨之下降，甚至低于0℃，當室外空氣流經換熱器盤管時，其所含的水分就會析出形成霜層，逐步變厚的霜層增加了導熱熱阻，使流過換熱器的空氣流量大幅降低，進而降低了換熱器的傳熱系數。隨著霜層的增厚，最終將出現蒸發溫度下降、制熱量下降、風機性能衰減，進而影響系統整體的制熱效率，嚴重時會出現停機，機組無法正常工作。因此需要對室外換熱器進行定期除霜操作，目前主要采用的是逆循環除霜。

當空氣源熱泵以逆循環除霜模式運行時，室內換熱器由供熱狀態下的冷凝器轉變為蒸發器從室內取熱，室外換熱器由供熱狀態下的蒸發器轉變為冷凝器向室外釋熱。為避免能源的不必要浪費，必須選取恰當的除霜起始點判定方法。目前熱泵室外換熱器除霜起始點的判定方法主要有時間判定法、時間-溫度判定法、壓力判定法、光學判定法等，其中時間判定法和時間-溫度判定法的應用最為普遍。以上諸多方法普遍存在參考指標過多、物理參數測量誤差偏大、檢測儀器成本偏高等問題。

有鑒于此，韓國學者Min-Hwan Kim與Kwan-Soo Lee近年提出一種基于溫度指標判定空氣源熱泵除霜起始點的EMF方法(Determination method of defrosting start-time based on temperature measurements,Applied Energy)。該方法通過對室外換熱器的進出口制冷劑溫度和空氣溫度的測量，實現室外換熱器與室外空氣的換熱量計算，進而實現該換熱量的實時監測，并通過分析計算得出除霜起始點。

隨著空氣源熱泵應用的愈加廣泛，其換熱器的結構尺寸也得到持續優化，如今的空氣源熱泵機組室外換熱器均采用多環路形式。由于室外多環路換熱器的結霜情況受到換熱器內側制冷劑分配及其外側空氣分布及流量等因素的影響，其表面的結霜量往往并不均勻，也即存在各環路表面的結霜量不相同的“非均勻結霜”現象。當該EMF方法應用于非均勻結霜條件時，通過室外換熱器整體的進出口制冷劑溫度和空氣溫度的測量與分析，實際上難以實現對結霜情況的準確判定。EMF方法在實際應用中難以避免非均勻結霜導致的誤除霜。而傳統的時間判定法和時間-溫度判定法不僅無法解決因多環路換熱器結霜不均勻所造成的誤除霜現象，還容易出現無霜時候啟動除霜，以及有霜時候延遲啟動除霜的操作失誤現象，嚴重影響熱泵系統的正常運行，進而造成了大量的能量浪費。因此，開發一種廣泛應用于多環路換熱器的除霜起始點判定方法，不僅具有重要的學術價值，還具備重大的實際應用價值。

技術實現要素：

本發明提供了一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法及系統，充分地考慮了多環路換熱器的特點，測量結果準確，避免能源的浪費。具體方案如下：

一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法，包括：

根據室外換熱器的整體換熱量計算結霜臨界值A；

在供熱模式下獲取各環路中所述室外換熱器的盤管溫度T_tube，以及室外空氣的干球溫度T_a；

根據所述盤管溫度T_tube和所述干球溫度T_a計算各個所述室外換熱器的EMF值；

統計所述EMF值小于或等于所述結霜臨界值A的所述室外換熱器的數量，當數量超過所有所述室外換熱器(1)的一半時開啟除霜模式。

可選地，所述干球溫度T_a包括所述室外換熱器的進口空氣溫度T_a，in和出口空氣溫度T_a，out，所述EMF值的計算公式為：

EMF＝(T_a,in-T_a,out)/(T_a,in-T_tube)

其中，T_a，in為所述室外換熱器的進口空氣干球溫度，T_a，out為所述室外換熱器的出口空氣干球溫度，T_tube為所述室外換熱器的盤管溫度。

可選地，所述盤管溫度T_tube為所述室外換熱器制冷劑進口溫度與出口溫度的平均值。

可選地，所述結霜臨界值A根據所述室外換熱器與室外空氣的整體換熱量Q_tot得到。

可選地，當所述室外換熱器的取熱量為所述整體換熱量Q_tot的一半時得到所述結霜臨界值A。

可選地，所述進口空氣干球溫度T_a，in為所述室外換熱器迎風側多個測量點的平均溫度；所述出口空氣干球溫度T_a，out為所述室外換熱器背風側多個測量點的平均溫度。

本發明還提供一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定系統，包括：

設置于各個室外換熱器翅片上的干球溫度傳感器；

設置于各個所述室外換熱器制冷劑管道上的制冷劑溫度傳感器；

根據所述干球溫度傳感器和所述制冷劑溫度傳感器的檢測數值，計算所述室外換熱器EMF值的控制器，所述控制器能夠分析所述EMF值到達所述結霜臨界值A的所述室外換熱器的數量，以判斷是否到達除霜起始點。

可選地，所述干球溫度傳感器包括設置于所述室外換熱器空氣進口側翅片上的進口空氣傳感器和空氣出口側翅片上的出口空氣傳感器；所述制冷劑溫度傳感器包括設置于所述室外換熱器制冷劑入口管道上的入口溫度傳感器和所述室外換熱器制冷劑出口管道上的出口溫度傳感器。

可選地，所述進口空氣傳感器至少設置兩個，分別設置于所述室外換熱器迎風側的對角位置；所述出口空氣傳感器至少設置兩個，分別設置于所述室外換熱器背風側的對角位置。

可選地，所述干球溫度傳感器和所述制冷劑溫度傳感器均為熱電偶。

本發明提供了一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法，包括以下步驟：預先根據室外換熱器的整體換熱量計算結霜臨界值A；在供熱模式下，獲取各環路中室外換熱器的盤管溫度T_tube，以及室外空氣的干球溫度T_a；根據盤管溫度T_tube和干球溫度T_a計算各個室外換熱器的EMF值；統計EMF值小于或等于結霜臨界值A的室外換熱器的數量，當數量超過所有室外換熱器的一半時開啟除霜模式，使室內的熱量反向傳遞到室外，將室外換熱器上的結霜清除。

在系統初始運行時確定除霜啟動的臨界值，在正常運行的過程中不需要反復計算換熱量，只需測量溫度這一指標，測量過程簡單。可以避免溫度-時間判定方法中遇到“無霜而除霜”和“多霜而不除”的問題，充分地考慮了多環路換熱器的特點，測量結果準確，避免能源的浪費。

此外，本發明還提供一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定系統，包括：干球溫度傳感器、制冷劑溫度傳感器和換向閥等結構，干球溫度傳感器設置于各個室外換熱器翅片上；制冷劑溫度傳感器設置于各個室外換熱器制冷劑管道上；換向閥根據干球溫度傳感器和制冷劑溫度傳感器的檢測值改變制冷劑流動方向。該系統可以實現與上述相同的技術效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明除霜起始點判定方法的一種具體實施方式的流程圖；

圖2為空氣源熱泵系統的結構及運行模式示意圖；

圖3A為三環路室外換熱器的迎風面結構示意圖；

圖3B為三環路室外換熱器的側面結構示意圖；

圖3C為三環路室外換熱器的背風面結構示意圖；

圖4為空氣源熱泵系統加熱模式與除霜模式運行切換流程圖。

其中：

室外換熱器1、干球溫度傳感器2、進口空氣溫度傳感器21、出口空氣溫度傳感器22、制冷劑溫度傳感器3、入口溫度傳感器31、出口溫度傳感器32、換向閥4、室內換熱器5、壓縮機6、集液器7、電子膨脹閥8、止回閥9、干燥閥10

具體實施方式

本發明的核心在于提供一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法及系統，充分地考慮了多環路換熱器的特點，測量結果準確，避免能源的浪費。

為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面將結合附圖及具體的實施方式，對本申請的空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法及系統進行詳細的介紹說明。

如圖1所示，為本發明除霜起始點判定方法的一種具體實施方式的流程圖。本發明提供的空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定方法，包括以下步驟：S1、預先根據室外換熱器1的整體換熱量計算結霜臨界值A，結霜臨界值A根據室外換熱器1所處的實際環境確定，若低EMF值小于或等于A時認為開始結霜。S2、在供熱模式下，獲取各環路中室外換熱器1的盤管溫度T_tube，同時還需獲取室外空氣的干球溫度T_a，T_tube和T_a為多環路換熱器在供熱模式下工作時實際測量的數值。S3、根據盤管溫度T_tube和干球溫度T_a計算各個室外換熱器1的EMF值，得到盤管溫度T_tube和干球溫度T_a后，利用這兩個數值，供稿相應的計算公式中進行計算，從而得到實際的EMF值。S4、統計EMF值小于或等于結霜臨界值A的室外換熱器1的數量，并進行步驟S5、判斷EMF值小于或等于結霜臨界值A的室外換熱器1的數量是否超過所有室外換熱器1的一半；若是則進行步驟S6、開啟除霜模式，若否則重新返回步驟S2。

需要注意的是，上述的計算過程需間隔一定的時間，每隔一段時間分別對各個室外換熱器1進行一次計算，若EMF值大于結霜臨界值A則認為正常，沒有出現結霜；若EMF值小于或等于結霜臨界值A則認為開始結霜，此時各個室外換熱器1并不都開始結霜，間隔一段時間后重復測量，直到一半或以上的室外換熱器1的EMF值小于或等于結霜臨界值A，則使系統進入除霜模式。

當空氣源熱泵以逆循環除霜模式運行時，室內換熱器5由供熱狀態下的冷凝器轉變為蒸發器從室內取熱，室外換熱器1由供熱狀態下的蒸發器轉變為冷凝器向室外釋熱。傳統時時間-溫度判定法相隔一定的時間測量室外換熱器與室外空氣溫度的溫差來判斷是否需要進入除霜模式，判斷點誤差較大，而且容易出現“無霜而除霜”和“多霜而不除”的情況。

本發明的方法在系統初始運行時確定除霜啟動的臨界值，在正常運行的過程中不需要反復計算換熱量，只需測量溫度這一指標，測量過程簡單。可以避免溫度-時間判定方法中遇到的問題，充分地考慮了多環路換熱器的特點，測量結果準確，避免能源的浪費。

在此基礎上，本發明中采用的干球溫度T_a包括室外換熱器1的進口空氣溫度T_a，in和出口空氣溫度T_a，out兩個參量，根據這兩個參量計算EMF值，計算公式如下：

EMF＝(T_a,in-T_a,out)/(T_a,in-T_tube) (1)

其中，T_a，in為室外換熱器1的進口空氣干球溫度，T_a，out為室外換熱器1的出口空氣干球溫度，T_tube為室外換熱器1的盤管溫度。根據上述公式得到實時的EMF值以后，與A進行比較，以判斷是否開始結霜。

更進一步，盤管溫度T_tube為室外換熱器1制冷劑進口溫度與出口溫度的平均值。在各環路的室外換熱器1進口管道與出口管道上分別設置一個制冷劑溫度傳感器3，以平均值作為盤管溫度T_tube使判斷結果更加準確。

更進一步，結霜臨界值A根據室外換熱器1與室外空氣的整體換熱量Q_tot得到。具體地，當室外換熱器1的取熱量為整體換熱量Q_tot的一半時得到結霜臨界值A。

具體地，由以下公式計算得到：

Q_tot＝(Q_a+Q_r)/2 (2)

其中，Q_a為空氣的全熱量，包括顯熱部分與潛熱部分；Q_r為制冷劑的進出口焓差。Q_a的計算公式為：

Q_r的計算公式為：

式(2)和式(3)中，C_p,a為室外空氣的比熱，L_h為水的汽化潛熱，w_a，in，w_a，out分別為室外換熱器進出口空氣的絕對濕度。

聯立公式(1-4)，得出室外多環路換熱器的整體換熱量Q_tot，以及EMF值。當室外多環路換熱器的取熱量急速減低，并將為最大值的一半時，有：

根據初始實驗環路的溫度參數和環境溫度及濕度情況，根據公式(1-5)可計算得到該環路安裝的EMF＝A，此為該環路的除霜模式起始點的預設判定值。

另外，程序設定控制系統對室外多環路換熱器的各環路的實時監控溫度數據進行計算出實時EMF值。設該多環路換熱器環路數目為n，當有(n+1)/2(取整)個環路滿足EMF≤A這一條件時，空氣源熱泵系統進入除霜模式。

更進一步，進口空氣干球溫度T_a，in為室外換熱器1迎風側多個測量點的平均溫度；出口空氣干球溫度T_a，out為室外換熱器1背風側多個測量點的平均溫度。在室外換熱器1迎風側和背風側設置多個測量點，將各個測量點的結果求平均值。

此外，本發明還提供了一種空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定系統，如圖2所示，為空氣源熱泵系統的結構及運行模式示意圖。該系統包括干球溫度傳感器2、制冷劑溫度傳感器3、控制器和換向閥4等結構，本發明中換向閥4優選地采用四通換向閥。其中，干球溫度傳感器2設置于各個室外換熱器1翅片上；制冷劑溫度傳感器3設置于各個室外換熱器1制冷劑管道上；控制器根據干球溫度傳感器2和制冷劑溫度傳感器3的檢測數值，計算室外換熱器1的EMF值，控制器能夠分析EMF值到達結霜臨界值A的室外換熱器1的數量，以判斷是否到達除霜起始點。當到達除霜起始點時，控制器控制換向閥4改變制冷劑流動方向，使制冷劑向相反的方向流動，將室內換熱器5的熱量向室外換熱器1傳送。

具體地，干球溫度傳感器2包括進口空氣傳感器21和出口空氣傳感器22，進口空氣傳感器21設置于室外換熱器1空氣進口側的翅片上，出口空氣傳感器22設置于室外換熱器1空氣出口側的翅片上。制冷劑溫度傳感器3包括入口溫度傳感器31和出口溫度傳感器32，入口溫度傳感器31設置于室外換熱器1制冷劑入口的管道上，出口溫度傳感器32設置于室外換熱器1制冷劑出口的管道上。入口溫度傳感器31和出口溫度傳感器32測量的值代入公式(1)計算EMF值。

更具體地，進口空氣傳感器21至少設置兩個，分別設置于室外換熱器1迎風側的對角位置；出口空氣傳感器22至少設置兩個，分別設置于室外換熱器1背風側的對角位置。如圖3A至圖3C所示，分別表示三環路室外換熱器的迎風面結構、側面結構和背風面結構示意圖；圖3A和圖3C的箭頭表示制冷劑的流動方向，圖3B的箭頭表示空氣的流通方向。兩個進口空氣傳感器21分別設置于室外換熱器1迎風面的左上角和右下角；兩個出口空氣傳感器22分別設置于室外換熱器1背風面的左下角和右上角。

本發明所采用的干球溫度傳感器2和制冷劑溫度傳感器3均為熱電偶，能夠實時檢測溫度值。

如圖2所示，還包括室內換熱器5、壓縮機6、集液器7、電子膨脹閥8、止回閥9、干燥閥10等結構。如圖4所示，為空氣源熱泵系統加熱模式與除霜模式運行切換流程圖。打開熱泵系統，先以供熱模式運行，室外溫度過低換熱器結霜，經熱電偶進行數據檢測，當控制器利用EMF法判斷需要除霜時，通過四通換向閥換向，空氣源熱泵系統以除霜模式運行，室外換熱器化霜，再經熱電偶數據檢測，當控制器判斷室外管路溫度達到設定值時除霜過程完畢，通過四通換向閥換向，空氣源熱泵系統以供熱模式運行。

本發明通過在多環路換熱器各環路的制冷劑及空氣進出口設置溫度測點，本發明附圖以三個環路的換熱器進行說明。通過室外換熱器1與室外空氣的換熱量實時監控及計算分析，確定各環路是否達到除霜啟動的臨界狀態，最終實現空氣源熱泵除霜起始點的判定。

在系統初始運行時，需要通過分析室外換熱器1與空氣的換熱量，從而確定結霜臨界值A，在其正常運行過程中，不需要反復計算換熱量，只需測量溫度這一指標，測量設備安裝簡易，系統初投資及運行費用低。

本發明基于EMF除霜判定方法，結合實際情況，充分考慮了多環路換熱器的特點，可以有效避免多環路換熱器結霜不均勻造成的誤除霜問題。本方法與系統不需要設定時間參數，因而可以避免時間判定及溫度-時間判定方法中遇到的“無霜而除霜”和“多霜而不除”的誤除霜問題，避免了系統能量的浪費。

本發明通過溫度的實時采集及其邏輯計算分析，可以實現多環路換熱器結霜量的實時監控，有效降低了誤除霜的概率。同時有助于系統實現供熱模式與除霜模式的自動切換，自動化程度高，為產品智能化發展提供參考與借鑒。

本發明提供的空氣源熱泵多環路換熱器除霜起始點判定系統基于溫度測量，與現有的除霜起始點判定方法相比，測量器件類型單一、安裝簡單，初投資和運行成本低；通過各環路的溫度監測及邏輯分析，可有效提高結霜監測準確度，避免無霜時候的誤除霜和有霜時候的延時除霜現象；整個系統設計合理高效，不含產生附加阻力，所占空間小，安裝后不會影響空氣源熱泵系統的正常運行；針對多環路換熱器設計，可以有效避免不均勻結霜時的誤除霜現象，具有很高的工程應用價值。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理，可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。